Raúl Ademar Valdivia Pacheco
Visualização de Modelos de Engenharia
via WEB utilizando VRML
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio.
Orientador: Marcelo de Andrade Dreux Co-Orientador: Roberto Santos Martins
Rio de Janeiro, fevereiro de 2004
Raúl Ademar Valdivia Pacheco
Visualização de Modelos de Engenharia
via WEB utilizando VRML
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Marcelo de Andrade Dreux Orientador PUC-Rio Roberto Santos Martins Co-Orientador Easycae Carlos Alberto de Almeida PUC-Rio Departamento de Engenharia Mecânica Bruno Feijó PUC-Rio Departamento de Informática José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 27 de fevereiro de 2004
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Raúl Ademar Valdivia Pacheco
Graduou-se (1998) em Engenharia de Computação e Sistemas, na Universidad Privada Antenor Orrego (UPAO) em Trujillo, Perú. Contribuiu com a implementação ótima do Backbone Gigabit Ethernet da Intranet na UPAO (primeira na América do Sul). Foi o primeiro em sua turma de formatura a obter o Titulo Profissional (2000) de Engenheiro em Computação e Sistemas.
Ficha Catalográfica
Pacheco, Raúl Ademar Valdivia
Visualização de modelos de engenharia via WEB utilizando VRML / Raúl Ademar Valdívia Pacheco ; orientador: Marcelo de Andrade Dreux. Rio de Janeiro : PUC-Rio, Departamento de Engenharia Mecânica, 2004.
85 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecânica.
Inclui referências bibliográficas
1. Engenharia mecânica – Teses. 2. Visualização científica. 3. Arquitetura de WEB. 4. VRML. 5. ANSYS. 6. Análise de elementos finitos. I. Dreux, Marcelo de Andrade. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título.
CDD:621
A Deus, meus pais e minha família, por existirem e me brindarem com apoio incondicional, confiança e demonstrações de carinho para comigo.
Agradecimentos
Ao meu orientador Professor Marcelo de Andrade Dreux pelo apoio e parceria para a realização deste trabalho.
Às agencias CNPq, CAPES, FAPERJ e à universidade PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não teria sido realizado.
À empresa EASYCAE pelo apoio tecnológico e a seus integrantes pelo estimulo e ajuda durante os testes realizados, e pela boa amizade.
Ao Laboratório de CAD Inteligente (ICAD) pelo apoio tecnológico.
Aos meus colegas e amigos do Laboratório ICAD por todo o apoio, compreensão, amizade e por todos os momentos compartilhados.
Aos professores integrantes da comissão examinadora.
A todos os professores do Departamento pelos ensinamentos e ajuda.
Aos funcionários da PUC-Rio pela atenção e compreensão.
A todos os amigos e familiares que de uma forma ou de outra me estimularam e me ajudaram a continuar por este caminho na vida.
Resumo
Valdivia Pacheco, Raúl Ademar. Visualização de Modelos de Engenharia via WEB utilizando VRML. Rio de Janeiro, 2004. 85p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
O crescente aumento da disponibilidade de recursos computacionais para a simulação numérica permite que cientistas e engenheiros produzam enormes quantidades de dados. A melhor compreensão destes dados mediante o uso de técnicas de computação gráfica é conhecido como visualização cientifica.
Este trabalho propõe a visualização científica de problemas de engenharia usando uma arquitetura distribuída via WEB. Os dados simulados são lidos diretamente de um banco de dados e são gerados arquivos com as informações necessárias para sua visualização.
Geram-se arquivos com dados de pré-processamento (como nós, elementos, linhas, áreas e elementos diferenciados por índices) e pós-processamento (como deformação, deslocamento e tensões, resultados mais importantes na análise utilizando o método de elementos finitos).
Considerando uma arquitetura distribuída, a simulação numérica pode ser feita em um computador (servidor) e a visualização pode ser feita em um outro computador (cliente), utilizando uma interface simples, porém robusta para a visualização, como é o caso da WEB. A utilização do formato VRML facilita a distribuição e compartilhamento nesta visualização, tornando-se independente da plataforma do servidor que contém o software de simulação numérica e da plataforma do cliente.
Usando como caso de estudo o software de Análise de Elementos Finitos ANSYS, os resultados obtidos mostraram-se satisfatórios e melhor manipuláveis ao se comparar com resultados visualizados por aquele software. O estudo de caso pode ser estendido para outros softwares de simulação da área de mecânica dos sólidos.
Palavras-chave
Visualização Cientifica; Arquitetura WEB; Análise de Elementos Finitos; VRML; ANSYS.
Abstract
Valdivia Pacheco, Raúl Ademar. Visualization of Engineering Models through the WEB using VRML. Rio de Janeiro, 2004. 85p Master Dissertation – Departament of Mechanical Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
The growing increase in computational resources for numerical simulation allows researchers and engineers to generate huge amount of data. The understanding of those data through the use of computer graphics techniques is known as Scientific Visualization.
This work proposes a Scientific Visualization of engineering problems through the use of a distributed architecture via Web. The simulated data are obtained directly from a data base and the appropriate information is generated to their visualization.
Pre-processing data (such as nodes, elements, lines, areas etc) and pos-processing data (such as deformation, stress and strain, from a finite element analysis) are generated.
A distributed architecture is considered which allows the numerical simulation to be done in a main computer (server) and the visualization to take place in another computer (client), by using a simple, but robust, interface, as is the Web. It is being used the VRML which provides a natural data distribution and sharing.
Results obtained with the Ansys software, a case study for a finite element analysis, have proven to be satisfactory and allowing for easy manipulation when compared with the results visualized through the mentioned software. The proposed architecture can be extended to cope with other solid mechanics software.
Keywords
Scientific Visualization; WEB Architecture; Finite Elements Analysis; VRML; ANSYS.
Sumário
1 Introdução 14
1.1. Objetivos 18
1.2. Distribuição dos capitulos 18
2 A Linguagem VRML 20
2.1. Breve história e introdução 20
2.2. Estrutura hierárquica da cena 21
2.3. O Nó Script 23
2.4. X3D (Extensible 3D) 23
3 Uma Arquitetura Distribuída via WEB 24
3.1. Arquitetura do Ambiente Colaborativo 24
3.2. Localização do VRMLGer no ambiente 26
3.3. Fluxo de dados no ambiente de 3 camadas 27
4 Implementação do Gerador de arquivos VRML - VRMLGer 29
4.1. A linguagem de programação utilizada 29
4.2. A estrutura dos dados de entrada 30
4.3. A configuração do VRMLGer 36
4.4. Dados de saída em VRML das funções de geração 40
4.5. Macros na linguagem APDL do ANSYS 43
5 Resultados obtidos 44
5.1. Modelos e dados utilizados nos testes 44
5.1.1. Modelo 1 44
5.1.2. Modelo 2 54
5.1.3. Modelo 3 58
5.1.4. Modelo 4 61
5.2. Tempos de geração dos arquivos vrml 64
5.3. Tamanho dos arquivos vrml gerados 65
6 Conclusões e trabalhos futuros 66
6.1. Conclusões 66
6.2. Trabalhos futuros 67
7 Referências bibliográficas 68
8 Apêndice A – VRML 71
8.1. Estrutura hierárquica da cena VRML 71
8.2. Propotipagem e reuso em VRML 73
8.3. Tipos de parâmetros e encaminhamento de eventos em VRML 75
8.4. Sensores e interpoladores em VRML 76
8.5. O Nó Script em VRML 80
9 Apêndice B - Macros na linguagem APDL do ANSYS 83
Lista de figuras
Figura 1 - Uma possível forma de acesso à informação compartilhada. 15
Figura 2 - Organização de equipes e de áreas de um projeto de engenharia de
grande porte. 16
Figura 3 - Modelo interativo entre diferentes equipes utilizando a Internet. 17
Figura 4 - Cena VRML por meio de um plug-in de um browser WEB convencional. 21
Figura 5 - Arquitetura do ambiente colaborativo. 25
Figura 6 - Ambiente distribuído em 3 camadas. 26
Figura 7 – Abstração do fluxo de dados em um ambiente de 3 camadas. 27
Figura 8 - Fluxo de dados entre um ambiente distribuído. 28
Figura 9 - Modelo do arquivo de entrada ALLNODES.txt 30
Figura 10 - Modelo do arquivo de entrada ALLELEM.txt 31
Figura 11 - Modelo do arquivo de entrada KPLIST.txt 32
Figura 12 - Modelo do arquivo de entrada LINES.txt 33
Figura 13 - Modelo do arquivo de entrada AREAS.txt 34
Figura 14 - Modelo do arquivo de entrada ALLDOF.txt 35
Figura 15 - Modelo do arquivo de entrada RES.txt 36
Figura 16 – Paleta de Cores de 128 valores 37
Figura 17 - Modelo do arquivo de configuração da paleta de cores. 37
Figura 18 - Objeto gerado com o valor 1 (ativado) no arquivo diffuseColor.txt. 38 Figura 19 – Objeto gerado com o valor 0 (desativado) no arquivo diffuseColor.txt. 38 Figura 20 - Objeto gerado com valor de 0.5 (com suavização) no arquivo
creaseAngle.txt. 39 Figura 21 – Objeto gerado com valor de 0.0 (sem suavização) no arquivo
creaseAngle.txt. 39
Figura 22 – Modelo do arquivo de entrada que ativa as funções do Gerador. 40
Figura 23 - Modelo 1 utilizado nos testes de Geração 44
Figura 24 - Geração no modelo 1 usando a função 1 do VRMLGer, linhas dos elementos. 45 Figura 25 - Geração no modelo 1 usando a função 2 do VRMLGer, elementos
preenchidos. 46
Figura 26 - Geração no modelo 1 usando a função 3 do VRMLGer, elementos
preenchidos e traçados. 46
Figura 27 – Geração no modelo 1 usando a função 4 do VRMLGer, elementos
por material. 47
Figura 28 – Geração no modelo 1 usando a função 5 do VRMLGer, elementos
por tipo de elemento. 47
Figura 29 - Geração no modelo 1 usando a função 6 do VRMLGer, elementos
por espessura. 48
Figura 30 – Geração no modelo 1 usando a função 7 do VRMLGer, estruturas
linhas por cores. 48
Figura 31 - Geração no modelo 1 usando a função 8 do VRMLGer, estrutura
areas por cores. 49
Figura 32 - Geração no modelo 1 usando a função 10 do VRMLGer, nós da estrutura. 49 Figura 33 - Geração no modelo 1 usando a função 12 do VRMLGer, estrutura
deformada. 50 Figura 34 - Geração no modelo 1 usando a função 13 do VRMLGer, mixagem de
estruturas deformada e não deformada. 50
Figura 35 - Geração no modelo 1 usando a função 140 do VRMLGer,
deslocamentos em X. 51
Figura 36 - Geração no modelo 1 usando a função 141 do VRMLGer,
deslocamentos em Y. 51
Figura 37 - Geração no modelo 1 usando a função 142 do VRMLGer,
deslocamentos em Z. 52
Figura 38 - Geração no modelo 1 usando a função 143 do VRMLGer,
deslocamentos nas 3 coordenadas. 52
Figura 39 - Geração no modelo 1 usando a função 150 do VRMLGer, resultados
da 1ra. tensão principal. 53
Figura 40 - Geração no modelo 1 usando a função 151 do VRMLGer, resultados
da 2da tensão principal. 53
Figura 41 - Geração no modelo 1 usando a função 152 do VRMLGer, resultados
das tensões equivalente. 54
Figura 42 - Modelo 2 utilizado nos testes de Geração. 54
Figura 43 - Geração no modelo 2 usando a função 8 do VRMLGer. 56
Figura 44 – Geração no modelo 2 usando a função 3 do VRMLGer. 56
Figura 45 – Geração no modelo 2 usando a função 13 do VRMLGer. 57
Figura 46 - Geração no modelo 2 usando a função 143 do VRMLGer. 57
Figura 47 - Modelo 3 utilizado nos testes de Geração. 58
Figura 48 - Geração no modelo 3 usando a função 8 do VRMLGer. 59
Figura 49 - Geração no modelo 3 usando a função 141 do VRMLGer. 59
Figura 50 - Geração no modelo 3 usando a função 150 do VRMLGer. 60
Figura 51 - Geração no modelo 3 usando a função 151 do VRMLGer. 60
Figura 52 - Modelo 4 utilizado nos testes de Geração. 61
Figura 53 - Geração no modelo 4 usando a função 7 do VRMLGer. 62
Figura 54 - Geração no modelo 4 usando a função 13 do VRMLGer. 62
Figura 55 - Geração no modelo 4 usando a função 143 do VRMLGer. 63
Figura 56 - Geração no modelo 4 usando a função 152 do VRMLGer. 63
Figura 57 - Cena em VRML utilizando encapsulamento e reutilização de subgrafos. 75
Figura 58 - Encaminhamento de eventos em uma interação típica de VRML 77
Figura 59 - Cena em VRML com encaminhamento de eventos, sensores e interpoladores. 79 Figura 60 - Encaminhamento de eventos para o exemplo usando o nó Script. 82
Lista de tabelas
Tabela 1 – Tempos estimados na geração dos arquivos. 64
Tabela 2 – Tamanhos dos arquivos vrml gerados. 65
